KR101647023B1 - 신축성 회로 기판 및 이의 제조 방법 - Google Patents

신축성 회로 기판 및 이의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 신축성 회로 기판 및 이의 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 플렉서블 기판이 갖는 유연성을 넘어 잡아 늘일 수 있는 신축성을 갖고, 이에 더하여 굽힘, 비틀림 등의 큰 변형에도 기계적 및 전기적 특성이 유지되는 신축성 회로 기판 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.
상기와 같은 본 발명에 따르면, 기판 표면의 금속 패턴에 도금된 액체 금속의 젖음 현상에 의해 폴리머 기판이 갖는 정도의 신축성을 액체 금속 패턴도 확보 가능하게 됨에 따라, 굽힘, 늘임, 비틀림 등의 물리적 변형에도 기계적 및 전기적 성능을 동시에 달성할 수 있는 신축성 회로 기판을 제공할 수 있고, 이로 인하여 착용 가능한 촉감 인터페이스, 신축성의 태양전지 어레이, 신축성 디스플레이 및 착용 가능한 전자장치 등을 현실화시킬 수 있는 효과가 있다.

Description

신축성 회로 기판 및 이의 제조 방법{STRETCHABLE CIRCUIT BOARD AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}
본 발명은 신축성 회로 기판 및 이의 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 플렉서블 기판이 갖는 유연성을 넘어 잡아 늘일 수 있는 신축성을 갖고, 이에 더하여 굽힘, 비틀림 등의 큰 변형에도 기계적 및 전기적 특성이 유지되는 신축 성 회로 기판 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.
인쇄회로기판(PCB)은 구리 배선이 가늘게 인쇄된 판으로, 반도체, 컨덴서, 저항 등 각종 부품을 끼울 수 있도록 되어 있어 부품 상호간을 연결시키는 전자 부품으로, 전자기기의 크기를 줄이고 성능을 높이는 역할을 한다.
집적회로(IC)의 캐리어로서 인쇄회로기판(PCB)은 근본적으로 휘지 않고 평면인 전자소자에 폭넓게 사용되어 왔다. 그러나 인체 및 자연은 부드러운 곡선의 형태로 이루어져 있는 바, 유연성이 없는 인쇄회로기판(PCB)은 그 적용에 한계가 있다.
이에 따라, 휘지 않는 평면과 부드러운 곡선의 부조화를 극복하고 이들을 통합한 차세대 스마트 기기로서 웨어러블 디바이스를 실용화 시키기 위해 휘어질 수 있는 유연성을 갖는 플렉서블 기판의 개발이 활발히 진행되어 왔다.
플렉서블 기판을 제조하는 종래의 방법으로, 유연성을 갖는 기질의 표면에 금속을 증착 시키는 방법이 사용되었다. 즉, 종래에는 PDMS, 실리콘 고무, 아크릴 고무와 같은 기질의 표면에 금(Au), 백금(Pt), 은(Ag) 등과 같은 금속을 증기상태로 증착하고 증착된 금속 박막의 표면에 패턴을 형성하여 플렉서블 회로 기판을 제조하였다.
그러나, 이와 같이 제조된 회로 기판은 굽힘 변형 하에서는 안정적인 전기적 성질을 보이나, 10% 이상의 인장변형 하에서는 금속 패턴 층이 유연성 기질의 표면에서 박리되어 전기 전도성이 저하되는 문제점이 있다.
이에 따라, 종래에는 고분자에 탄소나노튜브(CNT), 카본블랙(CB), 그래파이트(graphite) 등을 혼합하고, 전도성을 부여한 물질을 이용하여 회로 패턴을 형성함으로써 금속 층과 신축성 기질 사이의 박리문제를 해결하였다. 그러나 이렇게 제조된 신축성 회로 기판은 100% 이상의 인장변형 하에서도 안정적인 전기적 성질을 보이는 장점을 갖지만, 전기 전도성이 낮은 문제점이 있다.
최근에는 Wagner et al. 및 Rogers et al.에 의해 물결 형상의 구불구불한 패턴에 기반한 다양한 신축성 전자장치가 보고되고 있다. 신축성 전자장치를 구현하는 상기 신축성 전자장치는 물결 형상의 패턴을 만들어야 하기 때문에 제조상 복잡한 공정이 요구되는 문제점이 있다.
관련 종래 기술로는, 한국공개특허 제10-2010-0123755호(펴고 접을 수 있는 전자장치), 한국공개특허 제10-2014-0121325호(신축성 전자회로 및 그의 제조방법) 등이 있다.
본 발명은 굽힘 및 인장 변형 하에서도 기계적 및 전기적 특성이 유지되는 신축성 회로기판 및 이의 제조방법을 제공하고자 한다.
또한, 본 발명은 제조 공정이 용이한 신축성 회로 기판 및 이의 제조방법을 제공하고자 한다.
또한, 본 발명은 패터닝을 용이하게 할 수 있는 신축성 회로 기판 및 이의 제조방법을 제공하고자 한다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 신축성 회로 기판의 제조방법에 있어서, 웨이퍼의 표면에 제1 폴리머 층을 형성하는 (a)단계; 제1 폴리머 층의 표면에 금속막을 코팅하여 패턴을 형성하는 (b)단계; 패턴에 액체 금속을 도금하는 (c)단계; 및 웨이퍼를 제거하는 (d)단계를 포함하는 것을 일 특징으로 한다. 이 경우, 본 발명에 따른 (c)단계는 흡착되는 표면의 소재에 따라 습윤성을 달리하는 액체 금속의 성질을 이용하여 도금하게 된다.
바람직하게, 본 발명에 따른 (a)단계는, 웨이퍼의 표면에 폴리다이메틸실록세인(PDMS)을 도포하여 제1 폴리머 층을 형성할 수 있다.
바람직하게, 본 발명에 따른 (b)단계는, 제1 폴리머 층의 표면에 금(Au), 크롬(Cr), 은(Ag), 알루미늄(Al), 구리(Cu), 백금(Pt), 아연(Zn), 니켈(Ni), 주석(Sn), 철(Fe) 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 금속을 코팅할 수 있다.
바람직하게, 본 발명에 따른 (c)단계에 사용되는 액체 금속은, 갈륨, 인듐 및 주석으로 이루어진 갈린스탄일 수 있다.
바람직하게, 본 발명에 따른 (c)단계는, 산(acid) 용액의 증기로 액체 금속을 환원시키는 산화막 제거 단계; 및 산화막 제거 단계 이후, 환원된 액체 금속을 패턴에 도금하는 단계를 포함할 수 있다. 이 경우, 환원된 액체 금속은 폴리머 소재보다 금속 소재의 표면에서 습윤성이 높은 특징을 갖게 된다.
바람직하게, 본 발명에 따른 산화막 제거 단계는, 염산(HCl), 불산(HF), 질산(HNO3) 및 황산(H2SO4) 중 어느 한 용액의 증기로 액체 금속을 환원시킬 수 있다.
바람직하게, 본 발명에 따른 산화막 제거 단계는, 15 wt.% 내지 40 wt.%의 농도 범위를 갖는 산(acid) 용액의 증기를 이용하여 액체 금속을 환원시킬 수 있다.
바람직하게, 본 발명에 따른 (c)단계는, 패턴이 형성된 금속막과 패턴이 형성되지 않은 폴리머의 표면상에 액적(droplet) 형태의 액체 금속을 원하는 영역에 선택적으로 롤링(rolling)하여 도금시킬 수 있다.
바람직하게, 본 발명에 따른 (c)단계는, 5초 내지 30초 동안 액체 금속을 롤링할 수 있다.
바람직하게, 본 발명에 따른 (b)단계는, 제1 폴리머 층의 표면에 금속막을 코팅하는 코팅 단계; 및 코팅 단계 이후, 금속막을 식각하여 양각의 패턴을 형성하는 패턴 형성 단계를 포함할 수 있다.
바람직하게, 본 발명에 따른 코팅 단계는, 제1 폴리머 층의 표면에 크롬(Cr)을 코팅하여 크롬층을 형성하는 단계; 및 크롬층 위에 금(Au)을 코팅하는 단계를 포함할 수 있다.
바람직하게, 본 발명에 따른 (c)단계 이후, 선택적으로 도금된 액체 금속의 표면위에 제2 폴리머 층을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
또한 본 발명은, 웨이퍼의 표면에 금속막을 코팅하여 패턴을 형성하는 (a)단계; 및 패턴에 흡착되는 표면의 소재에 따라 습윤성을 달리하는 액체 금속을 도금하는 (b)단계를 포함하는 것을 다른 특징으로 한다.
또한 본 발명은, 폴리머 재질의 기판; 기판의 표면에 회로도의 패턴으로 코팅된 금속막; 및 외부에서 인가된 신호가 패턴을 따라 통전되도록 금속막의 표면에 도금된 액체 금속을 포함하는 것을 또 다른 특징으로 한다. 이 경우, 액체 금속은 갈린스탄(Galinstan)으로 제공될 수 있다.
본 발명에 따르면, 액체 금속이 도금된 금속 패턴이 폴리머 기판이 갖는 정도의 신축성 확보가 가능하여 굽힘, 늘임, 비틀림 등의 물리적 변형을 가하여도 기계적 및 전기적 성능을 동시에 달성할 수 있는 이점이 있다.
또한 본 발명은, 흡착되는 표면의 소재에 따라 습윤성을 달리하는 액체 금속을 금속 패턴에 도금하는 공정을 포함하는 신축성 회로 기판의 제조방법을 제공함으로써, 간단한 공정만으로도 신축성을 갖는 회로 기판을 제조할 수 있는 이점이 있다.
또한 본 발명은, 폴리머 재질의 기판 뿐만 아니라 기판의 표면에 형성된 회로도 형상의 패턴도 물리적인 변형에 의해 박리 및 파단되지 않고 신축성을 갖기 때문에 착용 가능한 촉감 인터페이스, 신축성 태양 전지 어레이, 신축성 디스플레이 및 착용 가능한 전자장치 등에 적용될 수 있다.
또한 본 발명은 밀리/마이크로 스케일의 미세 패턴에서도 액체 금속의 선택적인 습윤성을 이용하여 균일한 가장자리를 갖는 회로 패턴을 형성할 수 있는 이점이 있다.
도 1a는 본 발명의 실시예에 따른 신축성 회로 기판을 나타낸다.
도 1b는 본 발명의 실시예에 따른 신축성 회로 기판이 신장된 모습을 나타낸다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 신축성 회로 기판의 제조방법을 도시한 블록도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 신축성 회로 기판의 제조공정을 나타내는 개념도이다.
도 4는 금속 및 비금속 표면 위에서 산화된 액체 금속과 환원된 액체 금속의 습윤성 차이를 나타낸다.
도 5은 본 발명의 실시예에 따라 형성된 액체 금속 패턴의 주사전자현미경(SEM) 사진이다.
도 6은 액체 금속의 산화막 제거에 이용된 산(acid) 용액의 농도에 따른 액체 금속 패턴 가장자리의 균일성을 나타내는 주사전자현미경(SEM) 사진이다.
도 7은 금속 패턴이 형성된 기판의 표면 위에 환원된 액체 금속의 롤링 시간에 따른 액체 금속 패턴의 균일성을 보여주는 주사전자현미경(SEM) 사진이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따라 제조된 액체 금속 패턴과 이를 포함하는 신축성 회로 기판에 굽힙, 늘임 등의 변형을 가하여도 회로 기판과 회로 패턴의 기계적 특성이 유지되는 것을 보여준다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따라 제조된 액체 금속 와이어를 포함하는 신축성 회로 기판이 굽힘, 늘임 등의 변형을 가하여도 전기적 특성이 유지되는 것을 보여준다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따라 제조된 액체 금속 와이어를 포함하는 신축성 회로 기판이 전기적으로 자가 회복 특성을 갖는 것을 보여준다.
도 11은 레지스터, 인덕터, 커패시터 및 발광다이오드가 구비된 본 발명의 신축성 회로 기판에 굽힘, 비틀림, 늘임의 변형을 가하여도 전기적 특성이 유지되는 것을 보여준다.
도 12는 저역 통과 필터와 연결된 액체 금속 와이어를 포함하는 신축성 회로 기판에 굽힘, 비틀림, 늘임의 변형을 가하여도 기계적 및 전기적 특성이 유지되는 것을 보여준다.
이하, 첨부된 도면들에 기재된 내용들을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다. 다만, 본 발명이 예시적 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 각 도면에 제시된 동일 참조부호는 실질적으로 동일한 기능을 수행하는 부재를 나타낸다.
본 발명의 목적 및 효과는 하기의 설명에 의해서 자연스럽게 이해되거나 보다 분명해 질 수 있으며, 하기의 기재만으로 본 발명의 목적 및 효과가 제한되는 것은 아니다.
본 발명의 목적, 특징 및 장점은 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해 질 것이다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다.
도 1은 본 발명의 실시예 따른 신축성 회로 기판(10)을 도시한 모습이다. 도 1의 a는 입력 전원 및 출력 소자가 연결된 신축성 회로 기판을 나타내고, 도 1의 b는 신축성 회로 기판에 인장력이 작용하여 신장된 모습을 나타낸다.
도 1을 참조하면, 신축성 회로 기판(10)은 전원인 입력부(30)로부터 인가받은 전류로 통전되어 신호를 출력한다. 본 실시예에서는 출력을 확인하기 위한 소자로 발광다이오드(LED)(50)가 신축성 회로 기판(10)에 구비될 수 있다. 그 밖에, 신축성 회로 기판(10)에는 회로를 구동하기 위한 추가적인 부품으로 커패시터(capacitor)(60), 레지스터(resistor)(70), 인덕터(inductor)(80) 등의 전자소자가 구비될 수 있다.
본 실시예로, 신축성 회로 기판(10)은, 폴리머 재질의 기판(101), 금속막(105), 액체 금속(107), 및 액체 금속(107)의 표면 위에 도포된 폴리머 층(103)을 포함할 수 있다.
본 실시예로 기판(101)은 폴리머 소재로 제공될 수 있다. 금속막(105)은 폴리머 재질의 기판(101)의 표면에 회로도의 패턴으로 코팅될 수 있다. 액체 금속(107)은 입력부(30)를 통하여 외부에서 인가된 신호가 상기 패턴을 따라 통전되도록 금속막(105)의 표면에 도금된다.
상기 액체 금속(107)은 갈륨, 인듐, 주석으로 이루어진 합금으로 갈린스탄(Galinstan)일 수 있다. 갈린스탄은 68.5 wt.%의 갈륨(Ga), 21.5 wt.%의 인듐(In) 및 10 wt.%의 주석(Sn)으로 이루어진 합금으로, 낮은 녹는점(-19℃), 높은 끓는점(1300℃), 높은 전기전도성(3.46×106 S m-1), 높은 열전도성(16.5 W m-1 K-1), 초저 증기압을 갖는다.
또한, 갈린스탄은 공기 중에서 쉽게 산화되어 점성이 있는 젤 형태의 산화막이 표면에 형성되는 특징이 있다. 이러한 액체 금속(107)의 산화막은 산(acid) 용액의 증기로 제거할 수 있다.
액체 금속(107)은 산(acid) 용액의 증기로 표면에 생성된 산화막이 제거된 갈린스탄일 수 있다. 산화막이 제거된 갈린스탄은 폴리머 소재보다 금속 소재의 표면에서 높은 습윤성을 보인다.
금속막(105)의 표면에 도금된 액체 금속(107)으로 인하여 폴리머 재질의 기판(101)의 표면에 코팅된 회로도 형상의 패턴도 폴리머 재질의 기판(101)이 갖는 정도의 신축성을 확보할 수 있고, 이로 인하여 본 발명의 신축성 회로 기판은 도 1b와 같이 굽힘, 비틀림, 늘임의 변형에도 기계적 및 전기적 성능이 유지될 수 있다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 신축성 회로 기판(10)의 제조방법을 도시한 블록도 이다. 도 2를 참조하면, 신축성 회로 기판(10)의 제조방법은 제1 폴리머 층 형성 단계(S10), 패턴 형성 단계(S30), 액체 금속 도금 단계(S50) 및 웨이퍼 제거 단계(S70)를 포함할 수 있다.
제1 폴리머 층 형성 단계(S10)는 웨이퍼(미도시)의 표면에 폴리다이메틸실록세인(PDMS)을 도포하여 폴리머 재질의 기판으로 이루어진 제1 폴리머 층(101)을 형성할 수 있다. 구체적으로, 제1 폴리머 층 형성 단계(S10)에는 스핀 코터(spin coater)를 800rpm의 회전 속도로 30초 동안 회전시켜 500nm 두께의 산화실리콘 층을 가지는 실리콘 웨이퍼(Si wafer) 위에 PDMS를 코팅할 수 있다. 이 후, PDMS가 코팅된 웨이퍼를 80℃에서 90분간 핫플레이트에서 경화시킬 수 있다.
패턴 형성 단계(S30)는 금속막 코팅 단계(S301)와 양각의 패턴 형성 단계(S303)를 포함할 수 있다.
금속막 코팅 단계(S301)에서는 제1 폴리머 층(101)의 표면에 금속막을 코팅한다. 금속막 코팅 단계(S301)는, 제1 폴리머 층의 표면에 크롬(Cr)을 코팅하여 크롬층을 형성하는 단계; 및 크롬층 위에 금(Au)을 코팅하는 단계를 포함할 수 있다.
금속막 코팅 단계(S301)는 후술할 액체 금속 도금 단계(S50)에서 사용되는 액체 금속(107)에 포함된 산(acid)에 의해 식각이 되지 않는 금속으로 코팅함이 바람직하다. 액체 금속(107)에 포함된 산(acid)에 의해 식각되지 않는 금속은 균일한 가장자리는 갖는 금속 패턴을 만드는데 유리하다. 본 실시예로, 금속막 코팅 단계(S301)에 사용되는 금속으로는 금(Au), 크롬(Cr), 은(Ag), 알루미늄(Al), 구리(Cu), 백금(Pt), 아연(Zn), 니켈(Ni), 주석(Sn), 철(Fe) 및 이들의 조합일 수 있고, 더욱 바람직하게는 금(Au) 또는 금과 크롬(Au/Cr)의 조합일 수 있다.
크롬층을 형성하는 단계는, 제1 폴리머 층 형성 단계(S10)에서 웨이퍼의 표면에 코팅된 PDMS에 전자 빔 이베퍼레이터(electron beam evaporator)를 사용하여 10nm 두께의 크롬(Cr)을 코팅할 수 있다.
이후, 금을 코팅하는 단계는 크롬(Cr)이 코팅된 표면 위에 순차적으로 100nm의 금(Au)를 코팅할 수 있다. 상기와 같이 코팅된 금과 크롬(Au/Cr) 층은 이 후 액체 금속(107)을 도금하기 위한 씨드 층(seed layer)로서의 역할을 한다.
패턴 형성 단계(S30) 중 양각의 패턴 형성 단계(S303)는 통상적인 리소그래피 공정에 의해 구현될 수 있다. 즉, 금속막 코팅 단계(S301)에 의해 제1 폴리머 층의 표면에 코팅된 금속막(105)을 식각하여 양각의 패턴을 형성하게 된다.
액체 금속 도금 단계(S50)는 액체 금속의 산화막 제거 단계(S501)와 환원된 액체 금속 도금 단계(S503)를 포함할 수 있다.
액체 금속은 수은이나 융해 금속과 같은 금속이온과 자유전자로부터 생긴 액체를 말하는데, 자유전자의 활동으로 인하여 전기가 잘 통하는 성질을 갖는다. 이러한 액체 금속은 Robertson의 용해-확산 모델(dissolution-diffusion model)에 따르면 고체 금속 위에 20°이하의 접촉각을 갖는 젖음 현상이 유도되는 것으로 알려져 있다.
그러나, 일부 액체 금속의 경우, 고체 금속 위에 흡착되었을 때 90°이상의 큰 접촉각을 유지할 수 있다. 본 실시예로, 이러한 거동을 보이는 액체 금속(107)은 갈린스탄(Geratherm Medical AG, Germany)일 수 있고, 이는 상업적으로 이용 가능한 갈륨, 인듐, 주석의 합금(68.5% Ga, 21.5% In, 10% Sn)으로 제공된다.
고체 금속 위에 흡착되었을 때 90°이상의 큰 접촉각을 유지하는 것은 갈린스탄(107)이 산화되어 생성된 표면의 산화막에 의한 것이다. 갈린스탄(107)은 산화막에 의해 고체 금속 표면 위에서 젖음 현상이 유도되지 못하고, 점성이 있는 젤 형태의 거동을 보인다. 산화된 액체 금속(107)의 표면에 생성된 산화막은 액체 금속의 산화막 제거 단계(S501)를 통해 제거될 수 있다.
산화막 제거 단계(S501)는 염산(HCl), 불산(HF), 질산(HNO3) 및 황산(H2SO4) 중 어느 하나의 산(acid) 용액의 증기로 갈린스탄을 환원시킬 수 있다.
액체 금속(107) 표면의 산화막을 제거하기 위한 산(acid) 용액의 농도는 매우 중요하다. 산(acid) 용액의 농도가 낮은 경우, 액체 금속 표면에 형성된 산화막이 완전히 제거되지 않아, 씨드(seed) 패턴 층으로 작용하는 금속 패턴을 완전히 젖게 할 정도의 젖음 현상이 발생되기 어렵고 반면, 산(acid) 용액의 농도가 높을 경우, 금속 패턴이 식각되어 균일한 가장자리를 갖는 회로 패턴을 형성하기 어렵기 때문이다.
이에 따라, 본 실시예에서는 액체 금속으로 사용된 갈린스탄의 산화막을 효율적으로 제거하는 최적의 염산 용액의 농도를 찾기 위해 37wt.%, 25wt.%, 16wt.%의 염산 용액의 제조하였고, 이들을 이용하여 산화막이 제거된 갈린스탄을 각각 금속 패턴이 형성된 제1 폴리머 층에 5초 동안 롤링 시킨 후, 형성된 액체 금속이 도금된 패턴을 주사전자현미경(SEM)으로 관찰하였다.
그 결과, 도 6의 (a)와 (b)에서 보는 바와 같이, 37wt.% 및 25wt.%의 염산 용액에 의해 산화막이 제거된 갈린스탄을 롤링시켜 형성한 액체 금속 패턴은 금속층에 강력한 산화반응을 발생시켜 액체 금속 패턴의 가장자리 부분에 손상을 주는 것을 알 수 있다. 반면, 16wt.%의 염산 용액을 사용하여 산화막을 제거한 갈린스탄을 롤링시켜 형성한 액체 금속 패턴은 균일한 가장자리를 가질 수 있음을 확인하였다. 따라서, 본 실시예에서는 16wt.%의 염산 용액을 사용하여 갈린스탄의 표면에 생성된 산화막을 제거하고, 상기 과정을 통하여 환원된 갈린스탄을 액체 금속 패턴의 형성에 이용하였다.
환원된 액체 금속 도금 단계(S503)에는 산화막 제거 단계(S501) 이후, 환원된 액체 금속(107)을 패턴에 도금할 수 있다. 본 실시예로 환원된 액체 금속 도금 단계(S503)에서는 산(acid) 용액의 증기에 의해 환원된 갈린스탄을 패턴 형성 단계(S30)에서 양각의 금속 패턴이 형성된 제1 폴리머 층의 표면에 커버링(covering)한 후, 롤링(rolling)시킴으로써 액체 금속(107)을 패턴에 도금할 수 있다.
환원된 갈린스탄은 도 4에서 보는 바와 같이 흡착되는 표면의 소재에 따라 습윤성을 달리한다. 즉, 도 4를 참조하면, 갈린스탄은 산화되었을 때, 폴리머 재질의 기판(101)인 PDMS층과 Cu, Au, Zn의 금속층에서 모두 젖음 현상이 발생하지 않고 125°의 접촉각으로 표면에 접촉하여, 젤 형태의 거동을 보이는 것을 확인할 수 있다(도 4의 (a1), (b1), (c1), (d1)).
반면, 환원된 갈린스탄의 경우, PDMS층에서는 90°이상의 접촉각을 갖는 발수성을 보이지만 (도 4의 (a2)), Cu, Au, Zn의 금속층에서는 젖음 현상이 발생하는 것을 확인할 수 있다(도 4의 (b2), (c2), (d2)).
본 실시예에서 패턴이 형성된 금속막(105)과 패턴이 형성되지 않은 폴리머 재질의 기판(101) 표면상에 액적(droplet) 형태의 환원된 갈린스탄을 롤링시켜 도금 하면, 환원된 갈린스탄은 금(Au)으로 이루어진 패턴 부분을 완전히 젖게 한다. 이 후, 제1 폴리머 층에서 패턴이 형성되지 않은 폴리머의 표면에 남은 잔여의 갈린스탄 액적을 제거하면 액체 금속 패턴을 형성할 수 있다.
흡착되는 표면의 소재에 따라 습윤성을 달리하는 환원된 액체 금속의 성질을 이용하여 액체 금속을 도금 하는 상기와 같은 본 발명의 공정을 "SLIM(selective liquid-metal plating)" 공정이라 칭하였다. 본 발명의 SLIM 공정에 의하여 형성된 액체 금속 패턴은 도 5에서 보는 바와 같이, 10㎛의 해상도에서도 균일한 가장자리를 갖는다.
더불어, 본 실시예에서 환원된 갈린스탄의 롤링 시간은 가장자리가 균일한 패턴이 형성되도록 하는데 영향을 미친다. 따라서, 균일한 가장자리를 갖는 패턴을 형성하기 위한 효율적인 갈린스탄 액적의 롤링 시간을 파악하기 위한 실험례는 하기와 같다. 40㎛, 10㎛, 5㎛ 의 다른 폭을 갖는 금속 패턴이 형성된 기판에 16wt.% 염산 용액으로 표면의 산화막에 제거된 갈린스탄을 이용하여 5초, 30초 및 2분의 다양한 롤링 시간으로 환원된 갈린스탄을 처리하였다.
그 결과, 도 7에서 보는 바와 같이, 10㎛ 이상의 폭을 갖는 금속 패턴의 경우 환원된 갈린스탄의 롤링 시간은 5초가 가장 이상적임을 알 수 있다. 즉, 5초의 롤링 시간으로 금속 패턴 위에 환원된 갈린스탄이 완전히 젖는 젖음 현상이 발생할 수 있고, 균일한 가장자리를 갖는 액체 금속 패턴이 형성될 수 있다.
도 7의 (c1) 내지 (c3)에 따르면, 금속 패턴의 폭이 5㎛일 때에는, 환원된 갈린스탄이 금속 패턴을 완전히 젖게 하기 위해서는 환원된 갈린스탄의 롤링 시간이 30초 이상 요구될 수 있다.
전도성 패턴을 위한 5㎛ 이하 폭의 패턴은 균일한 가장자리를 갖도록 형성하는 것에 기술적 어려움이 있으나, 본 실시예는 10㎛의 폭을 갖는 패턴이면 신축성 회로 기판의 적용요건을 충분히 충족시키는 바, 본 발명의 의한 액체 금속 도금 공정에 의한 액체 금속 패턴의 형성방법은 폭넓게 활용될 수 있다.
이 후, 액체 금속(107)이 도금된 패턴을 포함하는 제1 폴리머 층의 표면을 아세톤 용액으로 수세하였고, 핫플레이트에서 60℃에서 10분간 경화시키고 아세톤 용액을 완전히 증기화 시켰다.
본 실시예에 따른 신축성 회로 기판의 제조 방법은 액체 금속을 도금하는 단계(S50) 이 후, 도금된 액체 금속(107)의 표면 에 제2 폴리머 층(103)을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다. 제2 폴리머 층(103)을 형성하는 단계는 기판(101)의 표면에 형성된 패턴을 따라 통전되는 전류를 차단하기 위한 절연층을 형성하기 위한 것으로 이해될 수 있다.
제2 폴리머 층(103)을 형성하는 단계는 액체 금속 패턴이 형성된 기판(101)의 표면에 폴리머 용액을 도포하고, 기판(101)을 핫플레이트에서 80℃에서 90분간 경화하여 기판(101) 상에 제2 폴리머 층(103)을 형성시킬 수 있다. 본 실시예로, 제2 폴리머 층(103)을 형성하기 위한 폴리머 용액으로는 폴리다이메틸실록세인(PDMS)이 사용될 수 있다.
본 실시예에 따른 신축성 회로 기판의 제조 방법은 제2 폴리머 층(103)을 형성하는 단계 이 후, 제1 폴리머 층 형성 단계(S10)에서 사용된 웨이퍼를 제거하는 단계(S70)가 수행될 수 있다. 웨이퍼를 제거하는 단계(S70)를 통해 기판(103) 하부의 웨이퍼가 제거되면, 신축성 회로 기판(10)에서 기판부는 폴리머 소재로만 구성되고, 이로 인하여 회로 기판의 신축성이 강화될 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 실시예에 따른 신축성 회로 기판(10)의 제조방법은, 웨이퍼의 표면에 금속막을 코팅하여 패턴을 형성하는 단계; 및 패턴에 흡착되는 표면의 소재에 따라 습윤성을 달리하는 액체 금속을 도금하는 단계를 포함할 수 있다.
이 경우, 도 2에 따른 실시예와 달리 제1 폴리머 층을 형성하지 않고, 실리콘 웨이퍼 표면에 금속막(105)을 바로 코팅하여 패턴을 형성하고, 형성된 패턴에 액체 금속(107)을 도금하여 신축성 회로 기판을 제조할 수 있다.
이와 같은 방식에 의할 경우, 실리콘 웨이퍼의 표면에 금(Au) 층을 코팅하기에 앞서 크롬(Cr) 층을 얇은 박막의 형태로 먼저 코팅 하면 금(Au) 층의 하부에 코팅된 크롬(Cr) 층은 금(Au)과 웨이퍼의 산화실리콘 사이의 증착 능력을 강화시키는 작용을 한다.
상기의 차이점을 제외하고 액체 금속을 도금하여 신축성 회로 기판을 제조하는 과정은 도 2를 통해 전술한 바와 같다.
이하, 도 8 내지 도 12를 참조하여, 본 실시예에 따라 제조된 액체 금속 패턴과 이를 포함하는 신축성 회로 기판의 성능 실험례를 상세히 설명한다.
실험례 1. 신축성 회로 기판의 기계적 특성 분석
도 8의 (a) 내지 (e)에서 보는 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따르면, 밀리/마이크로 스케일의 해상도를 갖는 액체 금속(107)을 도금하여 형성한 액체 금속 패턴을 사각형, 선 및 글자 등의 다양한 형태로 폴리머 재질의 기판(101) 위에 형성할 수 있다.
도 8의 (f) 및 (g)에서는 선과 사각형 모양의 미세한 액체 금속 패턴이 포함된 신축성 회로 기판을 제조하였고, 여기에 굽힘(bending)에 의한 물리적 변형을 가하였다. 그 결과, 액체 금속 패턴이 기판 위에서 박리되거나 파단되지 않고 기계적 물성이 유지됨을 확인하였다.
또한, 도 8의 (h) 내지 (g)에서는 액체 금속 패턴이 포함된 신축성 회로 기판을 대각선 방향으로 늘여도(off-axis stretching) 상기와 마찬가지로 액체 금속 패턴이 기판 위에서 박리되거나 파단되지 않고 기계적 물성이 유지됨을 확인하였다.
실험례 2. 신축성 회로 기판의 전기적 특성 분석
2-1. 액체 금속 와이어를 포함하는 신축성 회로 기판의 전기적 특성 분석
본 발명의 실시예에 따른 신축성 회로 기판이 잡아 늘임, 비틀림, 굽힘 등의 변형을 가하여도 전기적 특성이 유지되는지 확인하기 위하여, 폭 10㎛, 길이 20mm 및 폭 50㎛, 길이 20mm의 액체 금속 와이어를 포함하는 신축성 회로 기판을 제조하였고, 제조된 신축성 회로 기판을 본래 길이에서 100% 길이만큼 당겼을 때(strain)의 저항(R)을 측정하였다.
그 결과, 도 9에서 보는 바와 같이, 10㎛((a1) 내지 (a3)) 및 50㎛((b1) 내지 (b3))인 액체 금속 와이어를 포함하는 신축성 회로 기판(10)을 본래 기판의 길이에서 100% 길이만큼 늘였을 때, 그 저항이 각각 130Ω 및 4Ω 증가되었다.
더욱이, 늘였던 것을 다시 복원시키면 액체 금속 와이어의 저항은 초기값으로 회복된 것을 확인할 수 있다.
한편, 도 9의 (a3) 및 (b3)에서 보는 바와 같이, 액체 금속 표면에 일부 크랙(crack)이 발생한 것을 확인할 수 있는데, 이것은 액체 금속의 산화층 때문이다. 이러한 크랙들은 신축성 회로 기판(10)의 전기적 특성에 아무런 영향을 미치지 않는다. 왜냐하면, 크랙이 발생된 산화층은 액체 금속 와이어의 직경에 비하여 상대적으로 매우 얇기 때문에, 산화층 아래의 액체 금속은 전기적 특성 및 기계적 특성을 여전히 충족시킨다.
반면, 도 9의 (c1) 내지 (c3)에서 보는 바와 같이, 종래의 금속 와이어를 포함하는 신축성 회로 기판의 경우 본래 기판의 길이에서 100% 길이만큼 늘였을 때, 절연(disconnection)되는 것을 확인할 수 있고, 늘였던 것을 다시 본래 길이로 복원하여도 그대로 절연 상태임을 확인할 수 있다.
이에 따라, 본 발명의 실시예에 따라 제조된 액체 금속 와이어를 포함하는 신축성 회로 기판은 잡아 늘이는 변형과 복원에 의한 신축 작용에 의해서도 전기적 특성이 유지됨을 알 수 있다.
2-2. 출력 소자(LED)와 연결된 액체 금속 와이어를 포함하는 신축성 회로 기판의 전기적 특성 분석
본 발명의 실시예에 따라 액체 금속 와이어와 LED 소자를 연결한 후, 이를 포함하는 신축성 회로 기판을 제조하여 여러가지 물리적인 변형을 가한 후에도 전기적 특성이 유지되는지 확인하였다.
그 결과, 도 9의 (d1) 내지 (d4)에서 보는 바와 같이(3V 외부 전압 공급), 180°의 굽힘, 180°의 비틀림, 또는 본래 회로 기판의 길이에서 60% 길이만큼 더 늘이는 물리적인 변형을 가한 경우에도, LED 소자의 불빛이 방출되는 것을 확인함으로써, 안정적으로 전기적 특성이 유지됨을 알 수 있고, 도 9의 (e)의 그래프를 통해서 이들의 전압-전류 특성을 확인할 수 있다.
도 9의 (f)는 LED 소자와 연결된 액체 금속 와이어를 포함하는 신축성 회로 기판(10)을 180°비틀어 놓은 상태에서 늘였을 때의 노멀라이즈된 저항(R = Ra/R0)을 보여준다.
여기서 Ra 는 늘임을 적용한 상태에서의 저항을 나타내고, R0 는 늘이기 전의 저항을 나타낸다. 그 결과, 도 9의 (f)의 그래프에서 보는 바와 같이, 180°비틀어 놓은 상태에서 본래 길이의 100% 길이만큼 늘여도 거의 일정한 저항값이 유지됨을 확인할 수 있다.
도 9의 (g)는 LED 소자와 연결된 액체 금속 와이어를 포함하는 신축성 회로 기판을 180°비틀어 놓은 상태에서 본래 길이의 60% 길이만큼 늘이는 것을 6,000회 반복 적용하였을 때의 전류-전압 특성을 나타낸다.
그 결과, 그래프에서 보는 바와 같이, 6000회의 반복 적용에도 100회, 2000회, 4000회 반복 적용했을 때와 동일하게 전류-전압 특성이 유지되는 것을 확인함으로써, 본 발명에서 제조된 액체 금속 와이어를 포함하는 신축성 회로 기판은 물리적으로 큰 변형과 복원의 반복적인 신축 작용에도 전기적 특성이 변형 전과 같이 그대로 유지됨을 알 수 있다.
실험례 3. LED 소자와 연결된 액체 금속 와이어를 포함하는 신축성 회로 기판의 자가 회복 특성 확인
도 10에서는 본 발명의 액체 금속 와이어를 포함하는 신축성 회로 기판(10)의 자가 회복 특성 확인하였다. 즉, 액체 금속 와이어와 LED 소자를 연결한 후, 본 발명의 실시예에 따라 이들을 포함하는 신축성 회로 기판을 제조하였고, 와이어 부분을 가위로 절단하여 절연시켰으나, 물리적인 힘을 가하지 않아도 재연결되어 전기적인 특성이 자가 회복되고 LED 소자에서 불빛이 방출되는 것을 확인하였다.
실험례 4. 신축성 회로 기판의 실용성 및 효율성 분석
본 발명의 실시예에 따른 액체 금속 패턴(또는 와이어)을 포함하는 신축성 회로 기판을 실용화 시키기 위해서는, 유연성 및 신축성을 갖지 못하는 종래의 전자부품들과의 통합된 전자소자 패키지로 제조하여도 전기적 특성이 유지되어야 한다.
이에 따라, 본 발명의 실시예에 따라 제조된 신축성 회로 기판과 발광다이오드(LED)(50), 커패시터(capacitor)(60), 레지스터(resistor)(70), 인덕터(inductor)(80) 또는 저역 통과 필터(low-pass filter)를 포함하는 신축성 회로 기판을 제조하여 이들의 기계적 및 전기적 특성을 분석하였다.
4-1. 발광다이오드, 커패시터, 레지스터 및 인덕터와 통합된 신축성 회로 기판
액체 금속 와이어를 발광다이오드, 커패시터, 레지스터 및 인덕터와 연결한 후, 이들을 포함하는 신축성 회로 기판을 제조하여 굽힘, 비틀림, 대각선 방향의 늘임의 물리적 변형을 가하였을 때 전기적 특성이 유지되는지 확인하였다.
그 결과, 도 11에서 보는 바와 같이, 굽힘, 비틀림, 대각선 방향의 늘림의 변형을 가하여도 LED 소자의 불빛이 방출되는 것을 확인함으로써, 본 발명의 실시예에 따른 신축성 회로 기판은 종래의 전자 부품들과 통합되어 신축성을 갖는 전자소자로 폭넓게 활용될 수 있다.
4-2. 저역 통과 필터와 통합된 신축성 회로 기판
도 12에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 액체 금속 와이어를 저역 통과 필터(low-pass filter)와 연결한 후, 이들을 포함하는 신축성 회로 기판을 제조하여 기계적 및 전기적 특성을 분석하였다. 도 12의 (a)는 저역 통과 필터와 연결된 액체 금속 와이어를 포함하는 신축성 회로 기판의 모습을 나타내고, 도 12의 (b)는 (a)의 회로도를 나타낸다.
저역 통과 필터와 연결된 액체 금속 와이어를 포함하는 신축성 회로 기판의 기계적 특성을 확인하기 위하여, 도 12의 (c) 내지 (f)에서 보는 바와 같이, 기판에 굽힘(90°), 비틀림(90° ) 및 본래 길이에서 30% 길이 만큼 늘이는 물리적인 변형을 가하였으나, 이와 같은 큰 변형에도 광학적으로 투명성이 유지되는 것을 확인할 수 있다.
또한, 저역 통과 필터와 연결된 액체 금속 와이어를 포함하는 신축성 회로 기판의 전기적 특성을 분석하기 위하여, 함수발생기(function generator)를 이용하여 파형을 발생시키고, 오실로스코프(oscilloscope)를 이용하여 출력신호(Vout)를 측정하였는데, 이 과정에서 늘임(30%)의 물리적 변형을 가함으로써, 비늘임과 늘임의 조건에 따른 10 kHz, 0.1 MHz, 및 1 MHz 주파수에서 필터의 전압을 측정ㆍ비교하였다.
그 결과, 도 12의 (g1) 내지 (g3)에서 보는 바와 같이, 낮은 주파수(10 kHz)에서 출력 파형은 입력 파형과 거의 유사하나, 약간의 차이를 보이는데 이것은 커패시터의 충전에 기인한다. 보다 높은 주파수(1 MHz)에서, 출력 전압은 입력된 사각파형 신호에 대하여 삼각형태의 파형으로 전환된다. 저역 통과 필터에서 파형의 이러한 형태는 커패시터의 주파수 의존적인 리액턴스(reactance)에서 기인할 수 있다.
도 12의 (g1) 내지 (g3)을 통하여 비늘임 조건(without stretching)과 늘임 조건(stretching: 30%) 하에서의 출력 파형이 일치되는 것을 확인할 수 있는데 이를 통하여 본 실험례에서 제조된 저역 통과 필터와 연결된 액체 금속 와이어를 포함하는 신축성 회로 기판은 늘임과 같은 물리적 변형을 가하여도 안정적으로 전기적 성능이 유지됨을 알 수 있다.
이상에서 대표적인 실시예를 통하여 본 발명을 상세하게 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 상술한 실시예에 대하여 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 변형이 가능함을 이해할 것이다. 그러므로 본 발명의 권리 범위는 설명한 실시예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 특허청구범위와 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태에 의하여 정해져야 한다.
10: 신축성 회로 기판
30: 입력부
50: 발광다이오드(LED)
60: 커패시터(capacitor)
70: 레지스터(resistor)
80: 인덕터(inductor)
101: 폴리머 재질의 기판
103: 제2 폴리머 층
105: 금속막
107: 액체 금속

Claims (16)

  1. 신축성 회로 기판의 제조방법에 있어서,
    (a) 웨이퍼의 표면에 제1 폴리머 층을 형성하는 단계;
    (b) 상기 제1 폴리머 층의 표면에 금속막을 코팅하여 패턴을 형성하는 단계;
    (c) 상기 패턴에 액체 금속을 도금하는 단계; 및
    (d) 상기 웨이퍼를 제거하는 단계를 포함하고,
    상기 (c)단계는 흡착되는 표면의 소재에 따라 습윤성을 달리하는 액체 금속의 성질을 이용하여 도금하는 것을 특징으로 하는 신축성 회로 기판의 제조방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 (a)단계는,
    상기 웨이퍼의 표면에 폴리다이메틸실록세인(PDMS)을 도포하여 제1 폴리머 층을 형성하는 것을 특징으로 하는 신축성 회로 기판의 제조방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 (b)단계는,
    상기 제1 폴리머 층의 표면에 금(Au), 크롬(Cr), 은(Ag), 알루미늄(Al), 구리(Cu), 백금(Pt), 아연(Zn), 니켈(Ni), 주석(Sn), 철(Fe) 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 금속을 코팅하는 것을 특징으로 하는 신축성 회로 기판의 제조방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 (c)단계는,
    상기 패턴에 갈륨, 인듐 및 주석으로 이루어진 액체 금속을 도금하는 것을 특징으로 하는 신축성 회로 기판의 제조방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 (c)단계는,
    산(acid) 용액의 증기로 상기 액체 금속을 환원시키는 산화막 제거 단계; 및
    상기 산화막 제거 단계 이후, 환원된 액체 금속을 상기 패턴에 도금하는 단계를 포함하고,
    상기 환원된 액체 금속은 폴리머 소재보다 금속 소재의 표면에서 습윤성이 높은 것을 특징으로 하는 신축성 회로 기판의 제조방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 산화막 제거 단계는,
    염산(HCl), 불산(HF), 질산(HNO3) 및 황산(H2SO4) 중 어느 한 용액의 증기로 상기 액체 금속을 환원시키는 것을 특징으로 하는 신축성 회로 기판의 제조방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 산화막 제거 단계는,
    15 wt.% 내지 40 wt.%의 농도 범위를 갖는 산(acid) 용액의 증기를 이용하여 상기 액체 금속을 환원시키는 것을 특징으로 하는 신축성 회로 기판의 제조방법.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 (c)단계는,
    패턴이 형성된 금속막과 패턴이 형성되지 않은 폴리머의 표면상에 액적(droplet) 형태의 상기 액체 금속을 롤링(rolling)하여 도금시키는 것을 특징으로 하는 신축성 회로 기판의 제조방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 (c)단계는,
    5초 내지 30초 동안 상기 액체 금속을 롤링하는 것을 특징으로 하는 신축성 회로 기판의 제조방법.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 (b)단계는,
    상기 제1 폴리머 층의 표면에 금속막을 코팅하는 코팅 단계; 및
    상기 코팅 단계 이후, 상기 금속막을 식각하여 양각의 패턴을 형성하는 패턴 형성 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 신축성 회로 기판의 제조방법.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 코팅 단계는,
    상기 제1 폴리머 층의 표면에 크롬(Cr)을 코팅하여 크롬층을 형성하는 단계; 및
    상기 크롬층 위에 금(Au)을 코팅하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 신축성 회로 기판의 제조방법.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 (c) 단계 이후,
    도금된 상기 액체 금속의 표면위에 제2 폴리머 층을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 신축성 회로 기판의 제조방법.
  13. (a) 웨이퍼의 표면에 금속막을 코팅하여 패턴을 형성하는 단계; 및
    (b) 상기 패턴에 흡착되는 표면의 소재에 따라 습윤성을 달리하는 액체 금속을 도금하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 신축성 회로 기판의 제조방법.
  14. 폴리머 재질의 기판;
    상기 기판의 표면에 회로도의 패턴으로 코팅된 금속막; 및
    외부에서 인가된 신호가 상기 패턴을 따라 통전되도록 상기 금속막의 표면에 도금된 액체 금속을 포함하는 것을 특징으로 하는 신축성 회로 기판.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 액체 금속은 갈린스탄(Galinstan)인 것을 특징으로 하는 신축성 회로 기판.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 액체 금속은 표면에 생성된 산화막이 제거된 갈린스탄이고,
    상기 산화막이 제거된 갈린스탄은 폴리머 소재보다 금속 소재의 표면에서 습윤성이 높은 것을 특징으로 하는 신축성 회로 기판.
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